王欽強(qiáng)，李志永*，路文文，崔慶偉，聶云聰

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

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【研究報告】

電鍍制備鎳-碳化鎢復(fù)合電極及其抗電蝕性能

王欽強(qiáng)，李志永*，路文文，崔慶偉，聶云聰

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

采用復(fù)合電鍍工藝在純銅棒表面制備了Ni-WC復(fù)合鍍層。鍍液組成和工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L，H3BO3 30 ～ 45 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，WC微粒（平均粒徑400 nm）25 ～ 45 g/L，溫度30 ～ 50 °C，電流密度2.0 ～4.0 A/dm2，時間4 h。研究了WC添加量、陰極電流密度及鍍液溫度對Ni-WC復(fù)合鍍層的WC含量和顯微硬度的影響。WC添加量為35 g/L，鍍液溫度為40 °C和陰極電流密度為3.0 A/dm2，所得Ni-WC復(fù)合鍍層的厚度為103 μm，WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.95%，顯微硬度為322.4 HV。分別采用Ni-WC復(fù)合電極、純銅電極和純鎳電極為工具電極，對W7Mo4Cr4V2Co5高速鋼進(jìn)行電火花加工。結(jié)果表明，最佳工藝下制備的Ni-WC復(fù)合電極的損耗率分別為純銅電極和純鎳電極損耗率的72%和62%。

純銅；鎳；碳化鎢；復(fù)合電鍍；高速鋼；電火花加工；抗電蝕性

First-author's address: School of Mechanical Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255049， China

電火花加工（Electrical Discharge Machining，EDM）是基于工具電極和工件電極之間脈沖性火花放電時產(chǎn)生的高溫把金屬余量蝕除的特種加工工藝［1］。在電火花加工過程中工具電極也會有一定的損耗，從而影響工件的成型精度和重復(fù)精度，因此提高工具電極的抗電蝕性能極其重要［2］。為了降低工具電極的相對損耗，除了利用電火花加工中的各種效應(yīng)（如極性效應(yīng)、沉積效應(yīng)等［3］）外，還可選擇合適的工具電極材料，以降低電極損耗。紫銅由于價格便宜、易加工以及導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好，常被用作工具電極材料，但其熔點(diǎn)低（1 043 °C），在電火花加工高溫蝕除過程中的電極損耗較大，且容易形成加工圓角，影響加工精度。而鎳熔點(diǎn)高（1 455 °C），同時WC也具有熔點(diǎn)高（2 600 ～ 2 800 °C）、硬度高（1 620 HV）、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，通過復(fù)合電鍍制備銅基Ni-WC復(fù)合電極在理論上可以有效降低電火花加工過程中的電極損耗，提高加工效率和加工質(zhì)量。本文將粒徑為400 nm的WC顆粒加入瓦特鎳鍍液中，電鍍制得Ni-WC復(fù)合鍍層，研究了WC顆粒添加量、溫度、施鍍時間、陰極電流密度等工藝參數(shù)對復(fù)合鍍層的WC微粒共沉積量和顯微硬度的影響，并通過電火花加工試驗驗證獲得制備抗電蝕性最好的Ni-WC復(fù)合電極的最佳工藝參數(shù)。

1　實驗

1. 1 電極材料預(yù)處理

選用直徑6 mm、長60 mm的純銅棒作為陰極，純度≥99.5%的鎳板作為陽極材料，陰、陽極面積之比為1∶3，極間距為30 mm。

電鍍前，依次用600#、1000#、1500#和2000#砂紙打磨純銅棒，再用70 g/L Na3PO4+ 50 g/L Na2CO3+ 10 g/L NaOH溶液除油，接著放入5%（體積分?jǐn)?shù)）鹽酸中活化1 min，然后清洗。

1. 2 Ni-WC復(fù)合電鍍

電鍍前采用SK2210HP型超聲清洗儀（頻率53 kHz，功率100 W）超聲攪拌鍍液1 h，同時輔以150 r/min的機(jī)械攪拌，得到顆粒均勻分散的穩(wěn)定鍍液。采用WYK-3010直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行電鍍，電鍍過程采用JB-1定時雙向磁力攪拌器（江蘇金壇市精達(dá)儀器制造有限公司）進(jìn)行攪拌和控溫。具體配方和工藝為：NiSO4·6H2O 250 ～300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L，H3BO330 ～ 45 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，WC（平均粒徑400 nm，純度99.99%）25 ～ 45 g/L，溫度30 ～ 50 °C，電流密度2.0 ～ 4.0 A/dm2，時間4 h。所用試劑均為分析純。

1. 3 性能檢測

1. 3. 1 復(fù)合電鍍層成分、顯微硬度及厚度分析

采用INCA Energy X射線能譜儀（EDS）測定復(fù)合鍍層中W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再通過換算得到WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用FM800顯微硬度計測試復(fù)合鍍層的顯微硬度，載荷為50 g，加載時間為15 s。采用北京時代銳達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的TT260覆層測厚儀測量復(fù)合鍍層的厚度。顯微硬度和厚度測量的每個試樣均隨機(jī)測5點(diǎn)，取平均值。

1. 3. 2 復(fù)合電鍍層作為EDM工具電極時的抗電蝕性檢測

在生產(chǎn)實踐中，通常用工具電極在EDM中的電極損耗率θ來衡量其抗電蝕性能。θ越低，表明工具電極的抗電蝕性能越好。采用常州誠品機(jī)電有限公司生產(chǎn)的DM71精密電火花成型機(jī)進(jìn)行EDM試驗，工件電極材料為W7Mo4Cr4V2Co5高速鋼。為了保證試驗的一致性，在工件電極上加工所得孔的深度均為14 mm。采用負(fù)極性加工，加工工藝參數(shù)為：加工電壓45 V，脈沖峰值電流4.5 A，脈沖寬度15 μs，脈沖間隙3 μs，單邊側(cè)面放電間隙25 μm，兩次抬刀加工時間4 μs。工件和工具經(jīng)EDM試驗后的照片如圖1所示。

圖1 EDM試驗后工具電極與工件的照片F(xiàn)igure 1 Photos of tool electrode and workpiece after EDM test

EDM 加工前、后都要對工件電極和工具電極進(jìn)行超聲清洗以去除表面雜質(zhì)，烘干后稱重，再按式（1）計算電極損耗率θ。式中，m1q和m1h分別為工具電極材料EDM前、后的質(zhì)量（g），m2q和m2h分別為工件電極材料在EDM前、后的質(zhì)量（g）。

為了得到抗電蝕性能最優(yōu)的制備工具電極的工藝條件，通過改變Ni-WC復(fù)合電鍍的工藝條件，即WC添加量、陰極平均電流密度以及鍍液溫度，制備了不同的Ni-WC復(fù)合電極作為EDM的工具電極，并與純鎳電極和純銅電極進(jìn)行對比。

2　結(jié)果與討論

2. 1 鍍液中WC添加量對鍍層性能的影響

在電流密度為3 A/dm2、鍍液溫度為40 °C的條件下，研究鍍液WC的添加量對Ni-WC復(fù)合鍍層的WC含量和顯微硬度的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，隨鍍液中WC微粒添加量的增大，復(fù)合鍍層的WC復(fù)合量和顯微硬度均先增大后減小，WC添加量為35 g/L時達(dá)到最大。原因是鍍液中WC添加量越大，通過攪拌到達(dá)陰極表面的WC顆粒越多，由于WC的顯微硬度比鎳高，因此鍍層顯微硬度也就越高。但當(dāng)鍍液中WC微粒添加量超過35 g/L時，WC微粒在攪拌過程中的團(tuán)聚加劇，相互碰撞的概率增大，從而使微粒向陰極移動的速率減慢［4］，使鍍層的微粒含量降低，顯微硬度隨之降低。

2. 2 陰極電流密度對鍍層性能的影響

鍍液中WC添加量為35 g/L、溫度為40 °C時，陰極電流密度對復(fù)合鍍層中WC含量和顯微硬度的影響如圖3所示。從圖3可知，隨電流密度增大，鍍層的WC微粒含量和顯微硬度增大，當(dāng)電流密度為3.0 A/dm2時，鍍層的WC微粒含量達(dá)到最大。這是因為陰極電流密度升高時，基質(zhì)金屬的沉積速率增大，陰極的過電位相應(yīng)增大，其吸附正電位金屬離子的靜電引力增強(qiáng)，促進(jìn)了微粒的沉積，所以鍍層中WC微粒的共沉積量增大，顯微硬度隨之提高。當(dāng)陰極電流密度超過3.0 A/dm2時，鍍層的WC微粒共沉積量和顯微硬度均隨電流密度升高而減小。這是因為隨電流密度繼續(xù)升高，一方面基質(zhì)金屬的沉積速率超過WC微粒輸送到陰極表面的速率，導(dǎo)致鍍層中WC微粒含量降低；另一方面陰極表面析氫加劇，也會降低WC微粒的沉積量，而且會使得鍍層表面粗糙［5］。

圖2 鍍液WC添加量對Ni-WC復(fù)合鍍層WC含量和顯微硬度的影響Figure 2 Effect of dosage of WC in bath on WC content and microhardness of Ni-WC composite coating

圖3 電流密度對Ni-WC復(fù)合鍍層WC含量和顯微硬度的影響Figure 3 Effect of current density on WC content and microhardness of Ni-WC composite coating

2. 3 鍍液溫度對鍍層性能的影響

鍍液WC添加量為35 g/L、陰極電流密度為3 A/dm2時，不同溫度下所得鍍層的WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微硬度如圖4所示。

圖4 鍍液溫度對Ni-WC復(fù)合鍍層WC含量和顯微硬度的影響Figure 4 Effect of temperature of bath on WC content and microhardness of Ni-WC composite coating

從圖4可知，復(fù)合鍍層中WC微粒的復(fù)合量和顯微硬度隨溫度升高而增大，當(dāng)鍍液溫度為40 °C時，鍍層中WC微粒的復(fù)合量最大，顯微硬度最高。隨后繼續(xù)升溫，復(fù)合鍍層的顆粒含量和顯微硬度反而降低。這是因為隨溫度升高，鍍液中WC微粒的熱運(yùn)動加快，動能提高，促進(jìn)了WC微粒向陽極表面的輸送［3］。但溫度過高時，鍍液黏度下降，微粒易沉于槽底，不利于基質(zhì)金屬與微粒的共沉積［6］。

2. 4 Ni-WC復(fù)合電極在EDM加工中的抗電蝕性能

其他工藝參數(shù)不變，改變鍍液的WC添加量、陰極平均電流密度和鍍液溫度，得到13種不同的Ni-WC復(fù)合電極，分別以這些復(fù)合電極為工具電極，W7Mo4Cr4V2Co5高速鋼為工件電極，進(jìn)行電火花加工試驗，并與純鎳電極和紫銅電極進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 不同條件下所得Ni-WC復(fù)合電極的EDM試驗結(jié)果Table 1 EDM test result of Ni-WC composite electrodes prepared under different conditions

從表1可知，在EDM的高溫蝕除過程中，純銅電極和純鎳電極的損耗率均比Ni-WC復(fù)合電極高，并且由于銅的熔點(diǎn)比鎳低，純銅電極的損耗率明顯高于純鎳電極。這說明Ni-WC復(fù)合電極的抗電蝕性能最優(yōu)，純鎳電極次之，純銅電極最差。究其原因，Ni-WC鍍層中WC的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于Ni基體的熔點(diǎn)，熔化時需要吸收更多的熱量。對比不同工藝條件下制備的復(fù)合電極的損耗率可知，當(dāng)WC添加量為35 g/L、電流密度為3.0 A/dm2、溫度為40 °C時，所得Ni-WC復(fù)合電極的電極損耗率最低，分別為純銅電極和純鎳電極的72%和62%，抗電蝕性能最優(yōu)。

3　結(jié)論

（1） 電鍍制備Ni-WC復(fù)合鍍層的最佳工藝條件為：NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L，NiCl2·6H2O 40 ～ 50 g/L，H3BO335 ～ 40 g/L，十二烷基硫酸鈉0.05 g/L，WC微粒35 g/L，pH 3 ～ 4，陰極電流密度3.0 A/dm2，溫度40 °C，時間4 h。

（2） 在最佳工藝條件下，Ni-WC復(fù)合鍍層的厚度為103 μm，WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.95%，顯微硬度為322.4 HV，EDM加工過程中的電極損耗率為10.40%，分別約為純銅電極和純鎳電極的損耗率的72%和62%。

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［ 編輯：周新莉 ］

Preparation of nickel-tungsten carbide composite electrode and its electrical corrosion resistance

WANG Qin-qiang， LI Zhi-yong*， LU Wen-wen， CUI Qing-wei， NIE Yun-cong

A Ni-WC composite coating was prepared on pure copper substrate by composite electroplating. The bath composition and process conditions are as follows： NiSO4·6H2O 250-300 g/L， NiCl2·6H2O 40-50 g/L， H3BO330-45 g/L，sodium dodecyl sulfate 0.05 g/L， WC particles with an average size of 400 nm 25-45 g/L， temperature 30-50 °C， current density 2.0-4.0 A/dm2， and time 4 h. The effects of WC dosage， cathodic current density and bath temperature on WC content and microhardness of Ni-WC composite coating were studied. The Ni-WC composite coating obtained with WC 35 g/L at temperature 40 °C and cathodic current density 3.0 A/dm2has a thickness of 103 μm， WC particles content 29.95wt% and microhardness of 322.4 HV. The electrical discharge machining of high-speed steel W7Mo4Cr4V2Co5was conducted using the Ni-WC composite electrode， pure copper and pure nickel as tool electrode， respectively. The results showed that the weight loss of the Ni-WC composite electrode obtained under the optimal process conditions is 72% and 62% that of the pure copper and nickel electrode， respectively.

pure copper； nickel； tungsten carbide； composite electrode； high-speed steel； electrical discharge machining；electrical corrosion resistance

TQ153.2

A

1004 - 227X （2016） 15 - 0779 - 04

2016-05-24

2016-07-27

山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EEM038，ZR2014EL032）。

王欽強(qiáng)（1992-），男，黑龍江穆棱人，在讀碩士研究生，主要研究方向為先進(jìn)制造技術(shù)與裝備。

李志永，教授，（E-mail） lzy761012@sdut.edu.cn。